Bildverarbeitung OP-Helfer sieht drei Dimensionen

Zum medizinischen Alltag, speziell zur Diagnostik, gehören inzwischen bildgebende Verfahren wie der weiße Kittel zum Arzt. Doch viele der etablierten Methoden, wie konven­tionelles Ultraschall, benötigen weiterhin viel Erfahrung des behandelnden Arztes, der die angezeigten Daten auch interpretieren muss. Eine Erweiterung der Diagnosetechnik um eine dritte Dimension oder Datenfusion aus verschiedenen bildgebenden Verfahren vereinfacht den Diagnostikalltag von Ärzten und macht Befunde zuverlässiger. Mit Entwicklungen des Teams um Dr. Simon Che’Rose, der OTS-Technik (optisches Tracking-System), lassen sich präzise Nadel-Navigation im OP oder Bildüberlagerungen aus Ultraschall und Gamma-Kamera bewerkstelligen. Dabei kann der behandelnde Arzt seine gewohnte Handhabung beibehalten, erhält jedoch gleichzeitig wesentlich umfangreichere Diagnosedaten.

Dreidimensional mit 2D-Ultraschall

Mit zusätzlichen flachen Markern auf dem Ultraschallkopf können 2D-Ultraschallgeräte einfach und kostensparend per OTS auf 3D erweitert werden. Durch Nachverfolgung der Marker liefert das Tracking-System Informationen zur Position und Orientierung des Ultraschallkopfs im Raum. Dies dient als Basis zur Berechnung von 3D-Visualisierungen aus den zweidimensionalen Aufnahmen des Ultraschalls, was besonders in der Gefäßchirurgie sinnvoll ist.

Auch eine Fusion von Bilddaten aus unterschiedlichen Quellen und Wellenlängen zur multimodalen Visualisierung ist mit dem OTS von Framos möglich. So können die Radiationsdaten einer Gammakamera mit den Bildern eines Ultraschallgerätes überlagert werden. Dies erleichtert das übliche Vorgehen bei szintigrafische Biopsien wie beispielsweise bei Wächterlymphknoten. Durch gleichzeitiges Tracken von Ultraschallkopf und Gammakamera können deren jeweilige Bilddaten sehr genau zueinander lokalisiert werden. Dadurch kann das Signal eines radioaktiven Markers mit den Ultraschall­daten überlagert werden und erleichtert damit eine nachgelagerte Biopsie. Die simultane Visualisierung der beiden Bildinformationen verfeinert die Diagnostik und mindert Kosten und Zeitaufwand, da Wegzeiten des Personals und Mehrfach­untersuchungen eingespart werden. Für den Patienten verkürzen sich außerdem Wartezeiten und Aufenthaltsdauer.

Navigation im Operationssaal

OTS kann Operateure überall dort unterstützen, wo chirurgisches Werkzeug im Körperinneren möglichst genau lokalisiert werden muss. Beispiele sind minimalinvasiven Eingriffe. Dabei wird das Handstück einer Biopsie-Nadel mit Markern versehen, so dass das Tracking-System die genaue Position und Lage der Nadelspitze im Körper bestimmen kann. Zusätzlich können unterschiedliche Zonen definiert werden, in denen der Operateur sicher arbeiten kann beziehungsweise wo erhöhte Vorsicht geboten ist. Durch die robuste Algorithmik werden selbst im Fall von Teilverdeckung des Sichtbereiches oder Objektokklusion im Messvolumen zuverlässig Posen berechnet und es kann durchgehend weitergearbeitet werden, so dass sich der Operateur voll und ganz auf seine Arbeit konzentrieren kann.

Grundsätzlich kann die OTS-Technik bei allen Problemstellungen angewandt werden, bei denen Position und Orientierung von Objekten im Raum präzise bestimmt werden müssen. Die Messung dieser Parameter ist unabhängig von bestimmten Mustern oder Merkmalen auf der Oberfläche des Objekts. Grundlage der Technik ist die Überlegung, dass die Position und Lage eines spezifisch markierten Objektes im dreidimensionalen Raum mit einer kamerabasierten Stereo-Bildverarbeitungslösung verfolgt werden kann. Das hochauflösende Tracking-System kann dabei adaptiv den Gegebenheiten angepasst werden. Auf dem zu untersuchenden Objekt wird eine beliebige Anzahl von Markern in Form von kreisrunden, selbstklebenden und reflektierenden Folien angebracht. Ein Teaching-Algorithmus ermöglicht eine schnelle Identifikation des Objektes und durch die beiden Kameras des Stereo-Vision-Systems wird das Objekt im Raum lokalisiert. Dabei erfolgt die Messung in Echtzeit mit 25 Messungen in der Sekunde und einer hohen Genauigkeit von 20 µm RMS in einem Beispielvolumen von 400 x 400 x 300 mm³. Durch die Flexibilität des Systems kann das OTS jedoch auch problemlos an unterschiedlichste Messvolumina und Genauigkeitsanforderungen angepasst werden.

Gegenüber den weit verbreiteten Verfahren auf Basis sphärischer Marker unterscheidet sich die Framos-Technik wesentlich dadurch, dass das OTS die Geometrie und somit die Handhabung des zu trackenden Werkzeugs nicht verändert. Die flachen, selbstklebenden Marker werden willkürlich auf der gesamten Geometrie der Objekte verteilt, schon kann mit der Objektverfolgung begonnen werden. Dadurch wird das OTS sehr flexibel und bringt weitere entscheidende Vorteile mit sich: Das System kann eine partielle Verdeckung von einzelnen Markern ausgleichen, während handelsübliche Systeme die Messung meist unter- oder sogar abbrechen müssen. Weiterhin können, im Gegensatz zu elektromagnetischem Tracking, negative Einflüsse intuitiv vom Nutzer erkannt und einfach abgestellt werden, etwa wenn ein Teil der angebrachten Marker nicht im Sichtfeld der Kameras ist. Darüber hinaus ergeben sich bei der optisch basierten OTS-Technik keine Resonanzkomplikationen durch elektronische Schwingungen, sodass zum Beispiel auf Herzschrittmacher keine Rücksicht genommen werden muss. Die praktische Handhabung für die einsetzenden Ärzte ist damit unkompliziert und ermöglicht genauere Diagnoseergebnisse auf 3D-Basis. Durch die hohe Fehlertoleranz können zudem Behandlungszeiten verkürzt und teure Wiederholungs- beziehungsweise Folgeuntersuchungen reduziert werden.